JP2010011598A - 誘導性負荷駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】通常時における電力消費を低減させるとともに、バッテリ逆接時の大電流の発生を好適に防止できる誘導性負荷駆動回路を提供すること。
【解決手段】誘導性負荷駆動回路１０は、バッテリと誘導性負荷との間に設けられるスイッチ回路１２と、スイッチ回路１２の切替え動作を制御する制御回路１１と、スイッチ回路１２と直列接続され、誘導性負荷が並列接続される保護回路１３とを備える。スイッチ回路１２は、バッテリが正常に接続されている場合には誘導性負荷への通電及び非通電を切替えるとともに、バッテリが逆接された場合にはバッテリの正常接続時とは逆方向の通電を可能とする。保護回路１３は、バッテリの正常接続時においては、スイッチ回路１２による通電から非通電への切替えに伴って発生する誘導性負荷の逆起電圧によって導通し、バッテリの逆接時においては導通しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導性負荷駆動回路に関し、詳しくは、バッテリの逆接続に対する保護機能を有する誘導性負荷駆動回路に関する。

従来、誘導性負荷を駆動する場合、サージ電圧保護回路としてダイオードを用いた還流回路が用いられている。また、誘導性負荷の電流値が大きい場合の駆動装置としては、ＭＯＳＦＥＴが一般的に使用されている。しかしながら、車両用の誘導負荷の場合、その電源であるバッテリが逆接続されることが考えられる。バッテリが逆接続された場合には、還流ダイオードとＭＯＳＦＥＴのボディダイオード（寄生ダイオード）とを通じて大電流が流れ、還流ダイオード、ＭＯＳＦＥＴおよび配線が損傷する虞がある。

そこで、そのようなバッテリ逆接続時の不具合を解消するために、従来、バッテリ供給ラインにＭＯＳＦＥＴを挿入する例が、例えば、特許文献１に開示されている。また、従来、バッテリ供給ラインに、ダイオードあるいはメカニカルリレーを挿入する技術が知られている。
特開平２−１７９２２３号公報

しかしながら、上記バッテリ供給ラインにＭＯＳＦＥＴ等を挿入してバッテリ逆接続時の大電流を防止する方法においては、通常時においても、挿入されたＭＯＳＦＥＴに所定の電流が流れるため、それによって余計に電力が消費されるという不都合があった。また、メカニカルリレーを用いる場合には、部品サイズが大きくなるという不具合があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、通常時における電力消費を低減させるとともに、バッテリ逆接時の大電流の発生を好適に防止できる誘導性負荷駆動回路を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、第１の発明に係る誘導性負荷駆動回路は、バッテリと誘導性負荷との間に設けられるスイッチ回路であって、前記バッテリが正常に接続されている場合には前記誘導性負荷への通電及び非通電を切替えるとともに、前記バッテリが逆接された場合には前記バッテリの正常接続時とは逆方向の通電を可能とするスイッチ回路と、前記スイッチ回路の切替え動作を制御する制御回路と、前記スイッチ回路と直列接続され、前記誘導性負荷が並列接続される保護回路であって、前記バッテリの正常接続時においては、前記スイッチ回路による通電から非通電への切替えに伴って発生する前記誘導性負荷の逆起電圧によって導通し、前記バッテリの逆接時においては導通しない保護回路とを備える。

本構成によれば、バッテリの正常接続時において、誘導性負荷によるサージ電流を還流させることができ、また、誘導性負荷への通電が行われている場合に保護回路をほぼ非導通状態として、電力消費を低減させることができる。また、バッテリの逆接時において、保護回路は導通せず、電流は並列接続される誘導性負荷およびスイッチ回路を介して所定の逆接電流が流れることとなる。そのため、バッテリ逆接時に、ショート等による大電流の発生を好適に防止できる。

第２の発明は、第１の発明の誘導性負荷駆動回路において、前記保護回路は、ツェナーダイオードと前記ツェナーダイオードに直列接続されたダイオードとを含み、前記ツェナーダイオードのアノードは前記スイッチ回路に接続され、前記ツェナーダイオードのカソードは前記ダイオードのカソードに接続され、前記ダイオードのアノードは、バッテリの正常接続時、前記バッテリの低電圧側に接続され、前記ツェナーダイオードの降伏電圧は、前記バッテリの電圧よりも大きく、前記誘導性負荷の逆起電圧よりも小さい。

本構成によれば、ツェナーダイオードの降伏電圧がバッテリの電圧よりも大きいため、バッテリの逆接時においてツェナーダイオードを介して逆接電流は流れない。また、バッテリの正常接続時、ダイオードによって通電電流は阻止される。さらに、ツェナーダイオードの降伏電圧が誘導性負荷の逆起電圧よりも小さいため、誘導性負荷の逆起電圧によって、ツェナーダイオードが導通するため、サージ電流が流れる。すなわち、バッテリの正常接続時においては、スイッチ回路による通電から非通電への切替えに伴って発生する誘導性負荷の逆起電圧によってのみ導通し、バッテリの逆接時においては導通しない保護回路を簡易な構成によって実現できる。

第３の発明は、第１の発明の誘導性負荷駆動回路において、前記保護回路は、トランジスタと、第１抵抗と、第２抵抗とを含み、前記トランジスタのエミッタは前記スイッチ回路に接続され、前記トランジスタのコレクタは、バッテリの正常接続時、前記バッテリの低電圧側に接続され、前記第１抵抗は前記トランジスタのベース−エミッタ間に接続され、前記第２抵抗は前記トランジスタのベース−コレクタ間に接続され、バッテリの正常接続時、前記誘導性負荷の逆起電圧によって前記トランジスタがオンし、かつ、バッテリの逆接時、前記バッテリの電圧によって前記トランジスタがオンしないように、第１抵抗および第２抵抗によって、前記トランジスタのオン閾値設定がなされている。

本構成によれば、バッテリの正常接続時、トランジスタはオンしないため通電電流は阻止される。また、誘導性負荷の逆起電圧によってトランジスタがオンするため、サージ電流が還流される。バッテリの逆接時においては、バッテリの電圧によってトランジスタがオンしないため、トランジスタを介して逆接電流は流れない。すなわち、本構成によっても、バッテリの正常接続時においては、スイッチ回路による通電から非通電への切替えに伴って発生する誘導性負荷の逆起電圧によってのみ導通し、バッテリの逆接時においては導通しない保護回路を簡易な構成によって実現できる。

第４の発明は、第１〜３の発明のいずれか一つの誘導性負荷駆動回路において、前記スイッチ回路は電界効果トランジスタを含み、前記制御回路は前記電界効果トランジスタをＰＭＷ信号によってオン・オフ制御する。

本構成によれば、通常、電界効果トランジスタは寄生ダイオードを含むため、バッテリが逆接された場合には、その寄生ダイオ−ドを介してバッテリの正常接続時とは逆方向の通電を可能とする。また、ＰＭＷ信号のパルス幅制御によって誘導性負荷を適宜、通電制御することができる。

本発明の誘導性負荷駆動回路によれば、通常時における電力消費を低減させるとともに、バッテリ逆接時の大電流の発生を好適に防止できる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１について図１〜図４を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る誘導性負荷駆動回路１０のバッテリ正常接続時の概略的なブロック図であり、図２は、バッテリ正常接続時に係るタイムチャートである。また、図３は、バッテリ逆接続時の誘導性負荷駆動回路１０に係る概略的なブロック図であり、図４は、バッテリ逆接続時に係るタイムチャートである。

誘導性負荷駆動回路１０は、制御回路１１、スイッチ回路１２、および保護回路１３を含む。誘導性負荷駆動回路１０は、ここでは自動車に搭載され、バッテリＢａと、誘電性負荷M、例えば、ワイパー駆動用モータとの間に接続され、誘電性負荷Mを駆動制御する。

制御回路１１は、例えばＣＰＵを含み、スイッチ回路１２の切替え（オン・オフ）動作を、ＰＭＷ（パルス幅変調）信号によって制御する。その際、制御回路１０は、誘電性負荷Mに応じてＰＭＷ信号のデューティ比（パルス幅）を適宜変化する。

スイッチ回路１２はバッテリＢａと誘導性負荷Ｍとの間に設けられ、例えば、図１に示されるように、寄生ダイオード１２Ａを含むＮチャネルＭＯＳＦＥＴによって構成される。スイッチ回路１２は、バッテリＢａが正常に接続されている場合には誘導性負荷Ｍへの通電及び非通電を、ゲートＧに供給されるＰＭＷ信号に応じて切替えるとともに、バッテリＢａが逆接された場合にはバッテリＢａの正常接続時とは逆方向の通電を、寄生ダイオード１２Ａを介して可能とする。

保護回路１３は、図１に示されるように、スイッチ回路１２と直列接続され、ツェナーダイオードＺＤ１とツェナーダイオードＺＤ１に直列接続された還流ダイオード（本発明のダイオードに相当する）Ｄ１とを含む。保護回路１３には、誘導性負荷（例えば、ワイパー駆動用モータ）Ｍが並列接続される。

ツェナーダイオードＺＤ１のアノードはスイッチ回路１２に接続され、詳しくは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのソースＳに接続され、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードは還流ダイオードＤ１のカソードに接続される。また還流ダイオードＤ１のアノードは、バッテリＢａの正常接続時、バッテリの低電圧側、すなわちグランドに接続されている。

ここで、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚは、バッテリ電圧Ｖｂよりも大きく、スイッチ回路１２による通電から非通電への切替えに伴って発生する誘導性負荷Ｍの逆起電圧（サージ電圧）よりも小さい。より詳しくは、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚは、バッテリ電圧Ｖｂから還流ダイオードＤ１の順方向電圧降下ＶＦを減算した値よりも大きく、誘導性負荷Ｍの逆起電圧から還流ダイオードＤ１の順方向電圧降下ＶＦを減算した値よりも小さい。バッテリ電圧Ｖｂが１２Ｖの場合、降伏電圧Ｖｚの値は、例えば、１３Ｖである。

そのため、保護回路１３は、バッテリＢａの正常接続時においては、誘導性負荷Ｍの逆起電圧によってのみ導通する。すなわち、バッテリＢａの正常接続時においては、図２のタイムチャートに示されるように、図２の時刻ｔ１おいてＦＥＴ１２がオンされると、スイッチ回路１２と保護回路１３との接続点の電圧Ｖ１は、ほぼバッテリ電圧Ｖｂまで上昇し、負荷電流Ｉａも供給される。そして、図２の時刻ｔ２おいてＦＥＴ１２がオフされると負荷電流Ｉａの減少に伴って誘導性負荷Ｍに逆起電圧が発生する。逆起電圧は還流ダイオードＤ１の順方向電圧降下ＶＦとツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚとによってクランプされ、クランプされた電圧によって保護回路電流（サージ電流）Ｉｂが瞬間的に保護回路１３を流れ、逆起電圧が吸収される。

一方、保護回路１３は、バッテリＢａの逆接続時においては、導通しない。すなわち、図４のタイムチャートに示されるように、図４の時刻ｔ３おいてバッテリＢａが逆接続されると、還流ダイオードＤ１のアノード電圧Ｖ２はバッテリ電圧Ｖｂまで上昇する。また、バッテリ正常接続時と逆方向の負荷電流Ｉａ（図３参照）が誘導性負荷Ｍおよび寄生ダイオード１２Ａを介して流れる。しかしながら、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧Ｖｚがバッテリ電圧Ｖｂよりも大きいため、ツェナーダイオードＺＤ１は導通（降伏）せず、保護回路電流Ｉｂは流れない。すなわち、バッテリＢａが逆接続された場合であっても、誘導性負荷Ｍの抵抗値に依存する所定の負荷電流Ｉａが流れ、ショート電流のような大電流が発生することはない。そのため、バッテリ逆接続時における、スイッチ回路（ＦＥＴ素子）１２および配線等の損傷が防止される。

＜実施形態１の効果＞
上記したように、実施形態１において、保護回路１３は、バッテリ正常接続時においては、誘導性負荷Ｍの逆起電圧によってのみ導通し、バッテリ逆接時においては導通しない。すなわち、バッテリＢａによって誘導性負荷Ｍを駆動する際に、通常時（バッテリ正常接続時）において、電力消費を低減させるとともに、サージ電流を還流させて誘導性負荷Ｍの逆起電圧（サージ電圧）を好適に吸収することができる。さらに、バッテリ逆接時の大電流の発生を好適に防止できる。

また、保護回路１３は、単に、直列接続されたツェナーダイオードＺＤ１および還流ダイオードＤ１のみによって構成されるため、簡易な構成によって上記効果を得ることができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２について図５〜図８を参照しつつ説明する。図５は、本発明の実施形態２に係る誘導性負荷駆動回路１０のバッテリ正常接続時の概略的なブロック図であり、図６は、バッテリ正常接続時に係るタイムチャートである。また、図７は、実施形態２におけるバッテリ逆接続時の誘導性負荷駆動回路１０に係る概略的なブロック図であり、図８は、バッテリ逆接続時に係るタイムチャートである。なお、実施形態１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。また、実施形態１と実施形態２との誘導性負荷駆動回路１０の構成においては、保護回路の構成のみが異なるため、保護回路の相違点についてのみ説明する。

実施形態２の誘導性負荷駆動回路１０の保護回路１３Ａは、図５に示されるように、トランジスタ（バイポーラＮＰＮトランジスタ）Ｔｒ、第１抵抗Ｒ１、および第２抵抗Ｒ２を含む。トランジスタＴｒのエミッタはスイッチ回路１２に接続され、詳しくは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのソースＳに接続され、トランジスタＴｒのコレクタは、バッテリＢａの正常接続時、バッテリＢａの低電圧側、すなわちグランドに接続されている。また、第１抵抗Ｒ１はトランジスタＴｒのベース−エミッタ間に接続され、第２抵抗Ｒ２はトランジスタＴｒのベース−コレクタ間に接続されている。

ここで、バッテリの正常接続時、誘導性負荷Ｍの逆起電圧によってトランジスタＴｒがオンし、かつ、バッテリの逆接時、バッテリ電圧ＶｂによってトランジスタＴｒがオンしないように、第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２によって、トランジスタＴｒのオン閾値設定がなされている。言い換えれば、第１抵抗Ｒ１および第２抵抗Ｒ２は、バッテリの正常接続時、誘導性負荷Ｍの逆起電圧によってトランジスタＴｒがオンし、かつ、バッテリＢａの逆接時、バッテリ電圧ＶｂによってトランジスタＴｒがオンしないベース電圧を生成するような抵抗値をそれぞれ有する。バッテリ電圧Ｖｂが１２Ｖの場合、第１抵抗Ｒ１の値は、例えば１ｋΩであり、第２抵抗Ｒ２の値は、例えば３０ｋΩである。

そのため、保護回路１３Ａは、バッテリＢａの正常接続時においては、誘導性負荷Ｍの逆起電圧によってのみ導通する。すなわち、バッテリＢａの正常接続時においては、図６のタイムチャートに示されるように、図６の時刻ｔ２おいてＦＥＴ１２がオフされると、発生する逆起電圧はトランジスタＴｒのオン電圧によってクランプされ、クランプされた電圧によって保護回路電流（サージ電流）Ｉｃが瞬間的に保護回路１３Ａを流れ、逆起電圧が吸収される。

一方、保護回路１３Ａは、バッテリＢａの逆接続時においては、導通しない。すなわち、図８のタイムチャートに示されるように、図８の時刻ｔ３おいてバッテリＢａが逆接続されると、トランジスタＴｒのコレクタ電圧Ｖ３はバッテリ電圧Ｖｂまで上昇する。また、バッテリ正常接続時と逆方向の負荷電流Ｉａ（図７参照）が誘導性負荷Ｍおよび寄生ダイオード１２Ａを介して流れる。

しかしながら、バッテリ逆接続時に、バッテリ電圧ＶｂによってトランジスタＴｒがオンしないように、第１抵抗および第２抵抗によるトランジスタＴｒのオン閾値設定がなされているため、トランジスタＴｒはオンせず、保護回路電流（コレクタ電流）Ｉｃは流れない。すなわち、実施形態１と同様に、バッテリＢａが逆接続された場合であっても、誘導性負荷Ｍの抵抗値に依存する所定の負荷電流Ｉａが流れ、ショート電流のような大電流が発生することはない。そのため、バッテリ逆接続時における、スイッチ回路（ＦＥＴ素子）１２および配線等の損傷が防止される。

＜実施形態２の効果＞
上記したように、実施形態２においても、保護回路１３Ａは、バッテリ正常接続時においては、誘導性負荷Ｍの逆起電圧によって導通し、バッテリ逆接時においては導通しない。すなわち、バッテリＢａによって誘導性負荷Ｍを駆動する際に、通常時において、電力消費を低減させるとともに、誘導性負荷Ｍの逆起電圧を好適に吸収することができ、さらに、バッテリ逆接時の大電流の発生を好適に防止できる。

また、保護回路１３Ａは単に、トランジスタＴｒ、第１抵抗Ｒ１、および第２抵抗Ｒ２のみによって構成されるため、簡易な構成によって上記効果を得ることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）保護回路の構成は、実施形態１の保護回路１３および実施形態２の保護回路１３Ａの構成に限られない。保護回路は、要は、スイッチ回路と直列接続され、誘導性負荷が並列接続される保護回路であって、バッテリの正常接続時においては、スイッチ回路による通電から非通電への切替えに伴って発生する誘導性負荷の逆起電圧によって導通し、バッテリの逆接時においては導通しない構成であればよい。

（２）上記各実施形態では、誘導性負荷駆動回路１０は、自動車に搭載され、誘電性負荷Mとしてワイパー駆動用モータを駆動する例を示したが、本発明による誘導性負荷駆動回路は、バッテリＢａと誘電性負荷Mとの間に配置されるあらゆる場合に適応できる。

本発明の実施形態１に係る誘導性負荷駆動回路のバッテリ正常接続時の概略的なブロック図 実施形態１におけるバッテリ正常接続時に係るタイムチャート 実施形態１に係る誘導性負荷駆動回路のバッテリ逆接続時の概略的なブロック図 実施形態１におけるバッテリ逆接続時に係るタイムチャート 本発明の実施形態２に係る誘導性負荷駆動回路のバッテリ正常接続時の概略的なブロック図 実施形態２におけるバッテリ正常接続時に係るタイムチャート 実施形態２に係る誘導性負荷駆動回路のバッテリ逆接続時の概略的なブロック図 実施形態２におけるバッテリ逆接続時に係るタイムチャート

符号の説明

１０…誘導性負荷駆動回路
１１…制御回路
１２…NチャネルＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）
１２Ａ…寄生ダイオード
１３、１３Ａ…保護回路
Ｄ１…還流ダイオード
Ｒ１…第１抵抗
Ｒ２…第２抵抗
Ｔｒ…トランジスタ
ＺＤ１…ツェナーダイオード
Ｂａ…バッテリ
Ｍ…誘導性負荷

Claims (4)

1. バッテリと誘導性負荷との間に設けられるスイッチ回路であって、前記バッテリが正常に接続されている場合には前記誘導性負荷への通電及び非通電を切替えるとともに、前記バッテリが逆接された場合には前記バッテリの正常接続時とは逆方向の通電を可能とするスイッチ回路と、
   前記スイッチ回路の切替え動作を制御する制御回路と、
   前記スイッチ回路と直列接続され、前記誘導性負荷が並列接続される保護回路であって、前記バッテリの正常接続時においては、前記スイッチ回路による通電から非通電への切替えに伴って発生する前記誘導性負荷の逆起電圧によって導通し、前記バッテリの逆接時においては導通しない保護回路と、
   を備えた誘導性負荷駆動回路。
2. 前記保護回路は、ツェナーダイオードと前記ツェナーダイオードに直列接続されたダイオードとを含み、
   前記ツェナーダイオードのアノードは前記スイッチ回路に接続され、前記ツェナーダイオードのカソードは前記ダイオードのカソードに接続され、
   前記ダイオードのアノードは、バッテリの正常接続時、前記バッテリの低電圧側に接続され、
   前記ツェナーダイオードの降伏電圧は、前記バッテリの電圧よりも大きく、前記誘導性負荷の逆起電圧よりも小さい、請求項１に記載の誘導性負荷駆動回路。
3. 前記保護回路は、トランジスタと、第１抵抗と、第２抵抗とを含み、
   前記トランジスタのエミッタは前記スイッチ回路に接続され、前記トランジスタのコレクタは、バッテリの正常接続時、前記バッテリの低電圧側に接続され、
   前記第１抵抗は前記トランジスタのベース−エミッタ間に接続され、
   前記第２抵抗は前記トランジスタのベース−コレクタ間に接続され、
   バッテリの正常接続時、前記誘導性負荷の逆起電圧によって前記トランジスタがオンし、かつ、バッテリの逆接時、前記バッテリの電圧によって前記トランジスタがオンしないように、第１抵抗および第２抵抗によって、前記トランジスタのオン閾値設定がなされている、請求項１に記載の誘導性負荷駆動回路。
4. 前記スイッチ回路は、電界効果トランジスタを含み、
   前記制御回路は前記電界効果トランジスタをＰＭＷ信号によってオン・オフ制御する、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の誘導性負荷駆動回路。

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